Barrier layers based on refractory metals in contacts of high temperature thermoelements

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

An electrochemical method is proposed for forming contacts to high-temperature thermoelements with barrier layers based on refractory metal alloys. The contacts are intended for thermoelements with operating temperatures of up to 900 K. The barrier layers had a specific resistance of no more than 15.3×10–8 Ohm×m, and a specific contact resistance of no more than 1.5×10–9 Ohm m2. The best results were obtained for barrier layers based on Mo–Ni alloy with a Mo content of 36.5 wt.%. Ag films obtained by electrochemical deposition were used as a commutation layer in the contacts. It has been established that the contacts are thermally stable at the limiting operating temperatures of thermoelements and have an adhesive strength of at least 10.3 MPa.

About the authors

E. P. Korchagin

National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia

Email: eg.ad2013@yandex.ru

Y. I. Shtern

National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia

Email: eg.ad2013@yandex.ru

I. N. Petukhov

National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia

Email: eg.ad2013@yandex.ru

M. Y. Shtern

National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia

Email: eg.ad2013@yandex.ru

M. S. Rogachev

National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia

Author for correspondence.
Email: eg.ad2013@yandex.ru

R. M. Ryazanov

National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia; Scientific-Manufacturing Complex “Technological Centre”, Moscow, Russia

Email: rmaks1988@yahoo.com

References

  1. Jaldurgam, F. F., Ahmad, Z., and Touati, F., Synthesis and performance of large-scale cost-effective environment-friendly nanostructured thermoelectric materials, Nanomaterials, 2021, vol. 11, no. 5, ID1091, p. 1.
  2. Liu, Z. and Mori, T., Nanostructured bulk thermoelectric materials for energy harvesting, in System-Materials Nanoarchitectonics, Wakayama, Y. and Ariga, K. (eds), Tokyo: Springer, 2022, p. 199–231. https://doi.org/10.1007/978-4-431-56912-1_13
  3. Okhay, O. and Tkach, A., Metal Oxide Based Thermoelectric Materials, In Optical Properties of Metal Oxide Nanostructures, Kumar, V., Ayoub, I., Sharma, V., Swart, H.C. Eds, Singapore: Springer 2023, vol. 26, p. 399–430. https://doi.org/10.1007/978-981-99-5640-1_13
  4. Zhu, L., Li, H., Chen, S., Tian, X., Kang, X., Jiang, X., and Qiu, S., Optimization analysis of a segmented thermoelectric generator based on genetic algorithm, Renewable Energy, 2020, vol. 156, p. 710. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.04.120
  5. Штерн, М.Ю. Многосекционные термоэлементы, преимущества и проблемы их создания. Физика и техника полупроводников. 2021. Т. 55. № 12. С. 1105. doi: 10.21883/FTP.2021.12.51690.02. [Shtern, M.Y., Multi-section thermoelements, advantages and problems of their creation, Semiconductors, 2022, vol. 56, no. 4, p. 2098.] https://doi.org/10.21883/SC.2022.14.53847.02
  6. Ouyang, Z. and Li, D., Design of segmented high-performance thermoelectric generators with cost in consideration, Appl. Energy, 2018, vol. 221, p. 112. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.03.106
  7. Zhu, Y., Newbrook, D. W., Dai, P., Liu, J., de Groot, C. K., and Huang, R., Segmented thermoelectric generator modelling and optimization using artificial neural networks by iterative training, Energy and AI, 2023, vol. 12, ID100225. https://doi.org/10.1016/j.egyai.2022.100225
  8. Shtern, M., Rogachev, M., Shtern, Y., Gromov, D., Kozlov, A., and Karavaev, I., Thin-film contact systems for thermocouples operating in a wide temperature range, J. Alloys and Compounds, 2021, vol. 852, p. 156889.
  9. Zhu, L., Sun, D., Li, X., Liu, W., Huang, J., Liang, C., & Hu, X., Electroless plating of iron-group metals and electrochemical comparison for thermoelectric contacts, Solid State Sciences, 2024, vol. 154, p. 107613(1)-107613(7).
  10. Громов, Д.Г., Штерн, Ю.И., Рогачев, М. С. и др. Mo/Ni и Ni/Ta–W–N/Ni тонкопленочные контактные слои для межсоединений термоэлементов на основе (Bi, Sb)2Te3. Неорган. материалы. 2016. Т. 52. № 11. С. 1206. [Gromov, D.G., Shtern, Y.I., Rogachev, M.S., et al., Mo/Ni and Ni/Ta–W–N/Ni thin-film contact layers for (Bi, Sb)2Te3-based intermediate-temperature thermoelectric elements, Inorg. Mater., 2016, vol. 52, p. 1132.] https://doi.org/10.1134/S0020168516110030
  11. Zhang, Z., Gurtaran, M., and Dong, H., Low-Cost Magnesium-Based Thermoelectric Materials: Progress, Challenges, and Enhancements, ACS Appl. Energy Mater., 2024, vol. 7, no. 14, p. 5629. https://doi.org/10.1021/acsaem.4c00961
  12. Ouyang, Z., Modelling of segmented high performance thermoelectric generators with effects of thermal radiation, electrical and thermal contact resistances, Scientific reports, 2016, vol. 6, p. 1.
  13. Arai, K., Matsubara, M., Sawada, Y., Sakamoto, T., Kineri, T., Kogo, Y., Iida, T., and Nishio, K., Improvement of Electrical Contact Between TE Material and Ni Electrode Interfaces by Appli-cation of a Buffer Layer, J. electronic materials, 2012, vol. 41, no. 6, p. 1771.
  14. Gupta, R. P., Xiong, K., White, J. B., Cho, K., Alshareef, H. N., and Gnade, B. E., Low resistance ohmic contacts to Bi2Te3 using Ni and Co metallization, J. Electrochem. Soc., 2010, vol. 157, no. 6, p. H666. https://doi.org/10.1149/1.3385154
  15. Asgari, M., Darband, G. B., and Monirvaghefi, M., Electroless deposition of Ni-W-Mo-Co-P films as a binder-free, efficient and durable electrode for electrochemical hydrogen evolution, Electrochim. Acta, 2023, vol. 446, ID142001.
  16. Lide, D. R., Handbook of Chemistry and Physics CRC Press LLC, 2004, vol. 85, Section 16, p. 2052.
  17. Мельников, П.С. Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении. М.: Машиностроение, 1991. 384 с. [Melnikov, P.S., Hanbook of electroplating in mechanical engineering, Moscow: Mechanical engineering, 1991. 384 с.]
  18. Штерн, М.Ю. Наноструктурированные термоэлектрические материалы для температур 200–1200 К, полученные искровым плазменным спеканием. Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 6. С. 695. [Shtern, M. Yu., Nanostructured thermoelectric materials for temperatures of 200–1200 K obtained by spark plasma sintering, Semiconductors, 2023, vol. 56, no. 13, p. 437.] https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-6-695-706
  19. Zoui, M. A., Bentouba, S., Stocholm, J. G., and Bourouis, M., A review on thermoelectric generators: Progress and applications, Energies, 2020, vol. 13, no. 14, p. 3606. https://doi.org/10.3390/en13143606
  20. Zhu, X., Cao, L., Zhu, W., and Deng, Y., Enhanced interfacial adhesion and thermal stability in bismuth telluride/nickel/copper multilayer films with low electrical contact resistance, Adv. Mater. Interfaces, 2018, vol. 5, no. 23, ID1801279. https://doi.org/10.1002/admi.201801279
  21. Shtern, M.Y., Karavaev, I.S., Shtern, Y.I., Kozlov, A.O., and Rogachev, M.S., The surface preparation of thermoelectric materials for deposition of thin-film contact systems, Semiconductors, 2019, vol. 53, no. 13, p. 1848. https://doi.org/10.1134/S1063782619130177
  22. Штерн, М.Ю., Караваев, И.С., Рогачев, М.С., Штерн, Ю.И., Мустафоев, Б.Р., Корчагин, Е.П., Козлов, А.О. Методики исследования электрического контактного сопротивления в структуре металлическая пленка – полупроводник. Физика и техника полупроводников. 2022. Т. 56. № 1. C. 1097. [Shtern, M.Y., Karavaev, I.S., Rogachev, M.S., Shtern, Y.I., Mustafoev, B.R., Korchagin, E.P., and Kozlov, A.O., Methods for investigation of the electrical contact resistance in a metal film/semiconductor structure, Fizika i Tekhnika Poluprovodnikov, 2022, vol. 56, no. 1, p. 31.] https://doi.org/ 10.21883/FTP.2022.01.51808.24
  23. Xia, H., Drymiotis, F., Chen, C. L., Wu, A., and Snyder, G. J., Bonding and interfacial reaction between Ni foil and n-type PbTe thermoelectric materials for thermoelectric module applications, J. Mater. Sci., 2014, no. 49, p. 1716.
  24. Zhu, X., Cao, L., Zhu, W., and Deng, Y., Enhanced interfacial adhesion and thermal stability in bismuth telluride/nickel/copper multilayer films with low electrical contact resistance, Adv. Mater. Interfaces, 2018, vol. 5, no. 23, ID1801279. https://doi.org/10.1002/admi.201801279
  25. Song, J., Kim, Y., Cho, B. J., Yoo, C. Y., Yoon, H., and Park, S. H., Thermal diffusion barrier metallization based on Co–Mo powder-mixed composites for n-type skutterudite ((Mm, Sm) yCo4Sb12) thermoelectric devices, J. Alloys and Compounds, 2020, vol. 818, ID152917. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152917
  26. Zhang, H., Wei, P., Zhou, C., Li, L., Nie, X., Zhu, W., and Zhao, W., Improved contact performance and thermal stability of Co–Ni alloy barrier layer for bismuth telluride-based thermoelectric devices, J. Mater. Sci.: Materials in Electronics, 2024, vol. 35, no. 10, p. 727. https://doi.org/10.1007/s10854-024-12490-y
  27. Liu, W. and Bai, S., Thermoelectric interface materials: a perspective to the challenge of thermoelectric power generation module, J. Materiomics, 2019, vol. 5, no. 3, p. 321. https://doi.org/10.1016/j.jmat.2019.04.004

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».